本白皮书主要介绍原理、方案选择、实现方法
UWB超宽带定位技术在不同应用场景下的比较研究。
目前主流的定位技术按照原理可以分为四类：
声音、光、电磁和超宽带 (UWB)
本设计文档在基本分析之后列出了各个原理的主要优缺点，文档主要阐述了利用UWB超宽带定位技术进行定位的系统设计和实现方法。
第一章
原理上，目前的定位方法主要有声、光、电、磁，还有惯性导航，但由于技术不够成熟，应用场景有限，这里就不展开讨论了。
它主要通过收集超声波在空气中的飞行时间来测量距离。典型的发射器是扬声器，接收器是麦克风（例如手机）。发射器发送固定的信息，接收器计算数据的传输时间并将其转换为距离。然后，它使用两点或三点法进行定位。
优点：
其定位精度非常高，达到厘米级，结构相对简单，有一定的穿透能力，并且超声波本身的抗干扰能力很强。
缺点：
空中衰减较大，不适合大型活动，多径效应和非视距传播造成反射测距误差较大，需要对底层硬件设施进行精确分析计算，成本过高。
适用范围：
超声波定位技术广泛应用于数字笔、海上勘探等领域，该室内定位技术也用于无人车间的物体定位。
这项技术可以利用LED灯来实现。LED灯发出高频闪烁信号，接收器接收到信号后，计算飞行时间，从而测量距离，进而获取位置信息。
优点：
动态范围大，可进行高速率通信。
缺点：
由于光的波长较短，衍射能力较差，容易被遮挡。另一种是利用图像识别，将实时图像信息与数据库中的图像信息进行比对定位，缺点是图像处理时间较长，功耗较大。
地球本身是一块巨大的磁铁，在地理上的南北极之间形成一个基本磁场。然而，地球磁场可能会受到金属物体的干扰，尤其是在钢筋混凝土结构的建筑物中。建筑材料（金属结构）会干扰并扭曲原始磁场，使每栋建筑都具有独特的磁性结构。换句话说，建筑物内部会形成一个有规律的室内磁场。
通过预先采集现场的磁场信息，然后与追踪器（比如手机）中磁力仪采集到的信息进行比较，就能获得精准的位置信息。理论上，不同位置的磁场差异是微秒级的，普通的测量工具无法察觉。但这种被建筑物干扰扭曲的室内磁场增强了磁信号差异，使得室内获取磁数据成为可能，间接提高了定位精度。由于房间内每个小空间的磁场模式都是独一无二的，因此只需将该区域的磁场特征与系统中的磁场数据库进行匹配，就能对手机进行精准定位，通常精度在2米左右。
但如果附近建筑物的布局发生变化，例如车辆移动，磁场也会发生变化，精度难以评估。这种方法需要频繁校准磁场，因此不建议使用。
典型的应用是蓝牙追踪器+蓝牙网关，通过计算信号强度进行定位。我司的B-Fixed系统和B-Mobile系统均采用此方案。其主要优点是成本低、易于布设，但精度最多只有2~3米，主要用于资产、人员的区域定位。
它通常被称为蓝牙到达角技术。
优势：
终端成本低，只需部署一个网关，定位精度高。
缺点：
覆盖范围有限，覆盖半径与网关高度一致。网关需要精准定位，使用过程中不能晃动，否则影响定位效果。
DARPA和FCC对UWB提出了不同的定义，只是参数上存在细微的差别。
UWB基带窄脉冲规格：
它不经过正弦波调制，直接通过天线发射。这种系统简单、实时性好、成本低、功耗低、抗多径、穿透性强，后来被802.15.4a标准采用。
DS-UWB（直接序列码分多址）和MB-UWB（多频带正交频分复用）。
其中IR-UWB在IEEE 802.15.4a-2007规范中定义了两个物理层：一个是CSS技术（由德国Nanotron提供，工作于2.4G，窄带定位技术），另一个是IR-UWB技术。
UWB有效载荷结构：
调制
BPM-BPSK：
它结合了 BPM（突发位置调制）和 BPSK（二进制相移键控）。
工作频段/频道：
全球可用频段分布表如下
渠道部门
信道划分有500MHz和1GHz两种信道，目前主要使用500MHz信道，即1、2、3、5信道。
输出功率和规定：
根据FCC规定，最大限度为-41dBm/MHz。
中国的权力规则：
第二章
蓝牙 AoA：
该方法仅测量单个网关的信号角度，而非距离。此外，它假设跟踪器的高度是固定的，并根据角度和高度的交点来预测其位置。抬升和降低跟踪器会严重影响定位精度。
UWB-AoA：
这种方法可以同时测量角度和距离，精度达到厘米级，更加精确，还可以实现跟踪器的三维定位。
蓝牙 AoA：
该方法使用天线阵列（通常包含 16 或 64 个天线）和射频开关，通过多个到达时间计算信号的到达角和距离。复杂的天线阵列设计阻碍了蓝牙 AoA 网关的小型化。此外，该网关的安装要求严格，覆盖范围有限，约为高度半径的 1-2 倍。
UWB-AoA：
该方法通常使用两根天线和 PDoA 相位差法来计算最佳角度。PDoA 要求两根接收天线之间的距离等于波长的一半，即 λ /2。对于信道 5 (6489.6MHz)，锚点天线之间的距离为 2.08 厘米；对于信道 9，锚点天线之间的距离更近。这使得 PDoA 可以小型化，因此可以应用于智能手机、智能门锁和智能家居控制器等场景。
第三章
下表为工作在信道2（以4GHz为中心频率）时，由于穿墙造成的信号衰减情况。
多路径识别
电磁波可以直接从发射器传播到接收器，也可以反射到目标。在一般的窄带通信中，通常会处理强度最强的信号，而这可能不是最先到达的信号。
在UWB通信中，可以根据时间差准确识别最先到达的信号（First Path）。但当信号直接到达或穿透到达时，我们只能假设第一个多径信号就是我们需要的直达信号。
与所有其他电磁波一样，UWB 无法穿透金属。
精度主要涉及测距精度、时间同步精度、定位精度三个方面。测距精度主要受测距算法和所采用的时钟精度两个因素影响。
UWB无线定位系统同时支持测距和TDoA，TDoA方式需要所有定位网关进行无线同步，系统同步精度为0.3ns。
相较于有线同步方式，无线系统更为简单，且可无限扩充，不受有线距离的限制，也简化了工程实施的难度。
环境因素，而不仅仅是10厘米的测距精度。10厘米的定位精度只能在实验室内理想无干扰的环境下实现。任何信号干扰都可能导致系统出现偏差。
第四章
定位维度的选择取决于使用场景和现场情况。零维场景主要用于出入口检测。一维场景主要指长宽比不均匀的场景，例如隧道场景，也适用于工厂场景。在一维场景中，定位目标会对齐到一条线。二维场景定位XY坐标，没有高度信息；三维场景有高度信息，但需要系统安装时锚点有高度差，以保证Z轴一定的精度。
在UWB定位中，为了达到更好的零维定位，一般是通过测距来实现的，测距是用来做距离限制的，比如设备距离锚点多远，就算是进入了零维区域。
一维定位可以通过使用ToF、TDoA或者组合AoA技术来实现。
即使 UWB 跟踪器不在连接两个锚点的直线上，它也可以位于该直线上。
实际位置：
定位结果：
二维定位会显示目标位置的XY坐标，如果锚点安装高度一致，定位结果不会受到跟踪器安装高度的影响。
三维定位的结果就是目标的XYZ坐标，实现的方法有两种，一种是基于距离测量，需要锚点之间的高度差；另一种是基于AoA，需要Z轴上有较高的角度分辨率，以保证Z坐标的准确性。
目前UWB定位主要采用TOF测距、TDoA、AoA定位，前两种方式独立工作，而后一种AoA方式通常与ToF或TDoA结合使用。
ToF 定位基于测距。UWB 跟踪器会与每个需要定位的锚点发起测距，测距完成后进行位置计算。零维模式下，只需一个锚点测距；一维模式下，至少需要两个锚点测距；二维模式下，一般需要三个或更多锚点测距，但特殊模式下两个锚点即可；三维模式下，需要四个锚点测距。
对于一维的情况，将anchor放在最上面，只用一个anchor进行测距，实现一维定位。
对于一维情况，您可以仅使用两个锚点来测量距离：
二维定位：
时差定位（TDoA）是通过检测信号到达两个锚点或不同天线单元的绝对时间差（而非到达飞行时间）来确定目标位置的。这种方式降低了信号源与各监测锚点之间的时间同步要求，但增加了锚点之间的时间同步要求。利用三个不同的锚点可以检测到两个时差，移动跟踪器位于这两个时差定义的双曲线交点处。
TDoA 的优势在于一次定位所需的通信次数显著减少，且精度也高于 ToA。然而，这种定位依赖于波的传播，1ns 的固有时钟误差就可能造成 30cm 的距离误差。因此，必须严格同步各个锚点的时钟。而构建一个间距相对较大的精确同步系统成本非常高昂。
时间同步有两种：
一种是采用有线连接，可以实现0.1ns的同步精度，但这增加了网络维护和建设的复杂性和成本，而且需要专用线缆（例如以太网）来同步时钟，成本也较高。
另一类是无线连接，可以达到0.25ns的同步精度，略低于有线，但系统相对简单，定位网关只需电源，数据回传可以采用WiFi、LoRa或以太网，有效降低了成本。
到达角（AoA）定位一般基于信号之间的相位差，但它并不经常单独使用，因为AoA存在角度分辨率的问题，这意味着随着与锚点距离的增加，定位精度会变差。
AoA 可以与飞行时间 (ToF) 测距协同定位。在此模式下，我们可以使用一个锚点进行定位。
两个锚点也可以通过 AoA 实现定位
我们主要对比一下 ToF 和 TDoA 模式的功耗。ToF 模式下，UWB 追踪器会分别与各个锚点进行测距，需要多次测距，一般一次测距需要 5ms 以上。而 TDoA 定位时，UWB 追踪器只需发送一条消息即可完成定位，一般从准备到发送时间在 0.5ms 以内，功耗远低于 ToF 模式。
环境因素有很多，最典型的就是区域内定位和区域外定位；
由于TDoA基于信号到达时间差，通常采用双曲线算法，将到达时间差转化为距离差后再进行定位。双曲线算法的局限性决定了在锚点覆盖区域内定位精度较高，在区域外定位精度相对较差。在发电厂等复杂环境下，系统部署难度较大，TDoA定位难以满足应用需求。在这种模式下，我们可以使用ToF，或者结合AoA进行TDoA定位。
第五章
本章介绍了该系统的相关器件及工作原理。
第六章
在测距体制中，测距方式有两种：单边双向测距（SS-TWR）和双边双向测距（SD-TWR）。
单边双向测距的基本原理如图2 SS-TWR原理示意图所示。设备A向设备B发送一个脉冲，经过Tround1周期后，收到设备B返回的脉冲。假设飞行时间为Tprop，则可粗略计算为：
由于设备A和设备B采用独立的时钟源，时钟会有一定的偏差，这对于光速来说也是不可接受的。
双边双向测距是单边双向测距的扩展测距方法，通过记录两个往返时间戳，最终得到飞行时间。虽然增加了响应时间，但降低了测距误差。如图3 DS-TWR原理示意图所示，基本原理如下：
DS-TWR测距是在SS-TWR测距基础上的附加通信，两次通信的时间可以抵消由于时钟偏差带来的误差。
采用DS测距方法的时钟引起的误差为：
该测距方法的误差主要取决于以下因素：
假设设备A、B的时钟精度为20ppm（较差），1ppm为百万分之一，则Ka和Kb要么为0.99998，要么为1.00002，ka和kb分别为设备A、B时钟的实际频率与期望频率的比值。设备A、B相距100m，电磁波的飞行时间为333ns。则时钟带来的误差为20*333*10^(-9)秒，测距误差为2.2mm，可以忽略不计。
导致测距误差的因素有环境干扰、人体遮挡、金属物体遮挡、时间精度、最小时间粒度等。
为了满足不同无线精确测距使用场景的需求，主要有三种模式：点对点测距、点对多点测距和自由空间测距。
下面主要介绍点对多点测距和自由空间测距两种模式。
它主要用于两个设备之间的距离测量。这种距离测量方式最简单，精度更高，便捷性更强。由于距离测量是最基本的功能，因此可以与其他方法集成。
一些典型的应用是：
自由空间测距是一种比较特殊的测距方式，主要原因是所有目标都在空间中运动，每次测距前设备需要了解周围情况；当测距目标较多时，需要做好分配，避免它们之间相互干扰，防止测距失败。
自由空间测距主要用于以下两个目的：
空间关系网络：
例如，无人机编队可以基于所有目标之间的空间距离形成自组织网络；在没有GNSS系统时，可以利用UWB形成空间编队位置关系网络；
若将该系统应用于无线通信Mesh网络中，还可以为Mesh提供距离参数以供决策。
防撞：
例如，在火车轨道上运行的维修机车可以根据这种动态距离测量获得另一项保障。
第七章
防撞系统和定位系统：
安装在防撞系统上的设备被定义为UWB网关，可通过外部电源供电。人们佩戴的设备是UWB追踪器，由可充电电池供电。
定位引擎：
用于计算定位设备的位置。定位引擎利用网关在地图上的相对位置，以及UWB追踪器与网关之间的距离，确定UWB追踪器的位置，并输出位置坐标。
位置校准：
在地图上标明关卡位置，例如标明原点和关卡位置。关卡需固定，不可随意移动。
地图显示：
客户在位置校准时可以上传自己的地图文件并提供相应的原点信息，在平面地图上显示定位设备的实时位置。
UWB 追踪器的信息。UWB 追踪器每 4 秒测距一次。当接近网关时，追踪器每 1 秒测量一次距离，以节省电量并延长待机时间。
网关具有光耦隔离的IO接口，当UWB追踪器与网关距离小于3米时，网关输出高电平输出。隔离的IO可外接声光报警器。
区域划分如图所示 图6：防撞系统区域划分。（下一页）
网关和UWB追踪器都内置UWB模块和LoRa模块。UWB模块用于测距和定位。LoRa模块用于……
UWB追踪器通过LoRa将UWB追踪器与网关之间的距离、ID等参数传输到应用系统。
该应用系统包含三个软件模块：定位引擎、地图显示和位置校准。这些软件模块需要在Linux环境中运行，也可以在Windows系统中安装Linux虚拟机。Linux环境至少需要8GB内存和20GB硬盘。
防撞系统工作流程：
定位系统工作流程：
定位引擎可以根据网关与UWB跟踪器之间的距离，以及通过三角测量得到的网关位置坐标，计算出UWB跟踪器的位置信息，如图所示 位置计算三角测量.
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